CN1232553A - 具有分布控制功能的过程控制网络中的本地设备和过程诊断 - Google Patents

具有分布控制功能的过程控制网络中的本地设备和过程诊断 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种完成在过程控制网络中的特定过程控制设备的设备和过程诊断的装置和方法,比较好的是在具有分布控制功能的过程控制上,或由该设备而来中。按照本发明,诊断测试程序(可以是设备或过程诊断测试程序)存储在过程控制设备内并由其执行以完成对过程控制设备的诊断而无需重新配置与过程控制网络相连的控制结构。因此诊断测试子程序可以根据本发明实现而过程可以在基本上与过程正常操作器件相同的控制策略下进行。

Description

具有分布控制功能的过程控制 网络中的本地设备和过程诊断
相关申请
本申请是1996年10月4日提交的美国专利申请No.08/726,262的延续部分。
发明领域
本发明通常涉及过程控制网络，具体而言涉及用于具有分布控制功能的过程控制网络内本地设备和过程诊断的方法和装置。
背景技术
诸如化学、汽油和其它制造与精炼过程之类的过程需要众多位于各种位置的现场设备来测量和控制过程参数以实现过程的有效控制。这些现场设备例如可以是诸如温度、压力和流速传感器之类的传感器和诸如阀门和开关之类的控制单元。
过程控制过去是借助人工操作(例如人工读取液面和压力计，开启阀门轮等)来测量和控制过程中的现场设备。20世纪初，过程控制开始采用本地气动控制，其中将本地气动控制器、传送器和阀门定位器放置在工厂内各位置上以实现对某些工厂位置的控制。随着70年代基于微处理器的分布控制系统(DCS)的出现，分布电子过程控制在过程控制中日益占据主导地位。
正如所知的那样，DCS包括一台模拟或数字计算机(例如可编程逻辑控制器)，它与诸如电子传感器、传送器、电流-压力转换器、阀门定位器之类分布在整个过程线上的众多电子监控设备相连。DCS计算机存储并实现集中式并且常常是复杂的控制方案以测量和控制过程中的设备，从而根据某些总体控制方案控制过程参数。但是通常情况下，DCS实现的控制方案都是DCS控制器制造商的专利，由于DCS提供方必然牵涉到系统扩展、升级、重新编程和服务等各个方面，所以其业务难度大并且价格昂贵。而且由于DCS控制器的专利属性以及实际情况中DCS控制器提供商有可能不支持其它供应商制造的某些设备或功能的缘故，特定DCS使用或连接的设备种类都受到一定的限制。
为了克服在使用拥有专利权的DCS中存在的固有问题，过程控制业界研制了大量标准的开发通信协议，例如包括HART、PROFIBUS、WORLDFIP、LONWORKS、Device-Net和CAN协议，这些协议可以使不同制造商提供的现场设备在同一过程控制网络内使用。实际上，即使现场设备是由DCS控制器制造商以外的制造商提供，也能够采用任何遵守其中一个这类协议的现场设备在过程内完成与DCS控制器或其它支持协议的控制器之间的通信并受它们控制。
而且在过程控制工业中现在有一种分散化过程控制的转向，它简化了DCS控制器或者在很大程度上减少了对DCS控制器的需求。通过使诸如阀门定位器、传送器之类的过程控制设备完成一种或更多的过程控制功能并随后在其它完成其它控制功能的过程控制设备使用的总线结构上交换数据实现了分散化控制。为了实现这些控制功能，每个过程控制设备包括能实现一种或更多控制功能并利用标准和开放的通信协议与其它过程控制设备进行通信的微处理器。这样，不同制造商提供的现场设备就可以在一个过程控制网络内互联起来，互相进行通信并完成构成控制环路的一种或多种过程控制功能而无需DCS控制器的干预。由现场总线基金会制订的称为FOUNDATIONTM现场总线(以下称为“现场总线”)的全数字两路总线协议是一种开放的通信协议，它允许不同制造商的设备通过标准总线互相操作和通信以在一个过程内实现分散化控制。
如上所述，过程控制功能的分散化简化并在某些情况下减少了对专利性质的DCS控制器的依赖，这使过程操作者在改造和升级DCS控制器实现的控制方案时减少了对DCS控制器制造商的依赖。但是分散化控制也给诸如过程诊断之类的诊断带来了更多的困难，这类诊断一般是由DCS控制器完成的。当在温度和压力范围变化较大的严峻环境下使用诸如流体控制阀门之类的现场设备使，对设备和过程之类进行日常诊断是非常重要的。在这种环境下，必须进行重要的维护工作，包括定期除险维修、阀门断裂维修和阀门功能测试。
在标准的DCS环境下，计算机(例如个人电脑)与网络耦合并通过向定位器发送诊断控制信号强迫阀门作与诊断控制信号有关的测试冲击或测试周期，对例如阀门或者定位器/阀门组合完成设备诊断。在此期间，计算机测量定位器和/或阀门响应诊断控制信号而作出的输出(例如阀门位置变化)，随后对测得的输出进行分析以确定阀门或定位器/阀门设备的工作状态。
在一种已知的用于流体控制阀门(例如气动阀门)的诊断系统中，所提供的压力传感器检测阀门入口处的压力变化而所提供的位置传感器检测阀门塞的运动。通过向气动阀门输入端提供受控可变气压在一个测试操作循环内操纵阀门。在例如动态扫描的测试操作循环中，阀门塞在所需的范围内运动，一般是从全开启位置变化到全关闭位置并从全关闭位置返回全开启位置。或者，测试可以按照一系列单独的步数移动阀门塞以测试某些阀门参数。
在测试操作循环内，压力传感器提供了对应阀门入口处压力变化的输出信号，而位置传感器提供了对应阀门塞运动的输入信号。传动器和阀门塞或阀门主干位置处的空气压力的各输入或输出信号随后经过处理产生代表阀门输入处压力变化的数据，它是测试操作循环期间阀门塞运动的函数。将空气压力与传动器隔膜有效面积相乘就得到阀门主干负载。
诊断系统接收诊断命令并经通信线路将传感器获得的诊断信息送至外部控制台或处理器/计算机。外部控制台或处理器/计算机请求单个诊断测试并在诊断系统完成测试时等待结果。当测试完成时，诊断系统向外部控制台发送测试结果。对于每个阀门都完成各种各样的诊断测试并且控制系统一般包括多个阀门从而可能延长诊断测试时间。
正如所知道的那样，在标准DCS环境中，诸如DCS控制器之类的计算机通过向定位器发送诊断控制信号强迫阀门进入测试序列，利用例如阀门或定位器/阀门组合完成诊断处理。
在标准的DCS环境中，由于DCS控制器或外部计算机已经配置为控制过程中各种设备的设定点(或其它输入)并测量设备输出和其它过程参数以实现与过程正常操作相关的控制策略，所以可以无需对系统作重大程度的重组或重新配置就可以完成设备和过程的诊断。因此，在标准DCS环境下完成诊断实际上是以略微不同的方式利用DCS控制器或其它外部计算机来控制过程内的一个或多个设备或者是利用DCS控制器或其它外部计算机测量过程或设备参数。因此在标准DCS环境下，诊断程序可以存储在集中式DCS控制器或其它集中式外部计算机内并由其用来完成几乎任何设备或过程的诊断，并且这些诊断程序可以在无需对过程控制网络作重大的重新配置情况下就可以使用。遗憾的是，由于诊断程序集中化的性质，它们无法提供有关现场设备更为详细的信息。
但是在具有分布控制功能的过程控制网络中，某种程度上的集中式系统控制器未配置为单独控制过程内所有的现场设备并且也未配置为接收所有用来完成设备和过程诊断的相应设备或过程参数的数据。相反，利用位于过程控制网络内不同位置的通信线路连接的多个设备实现控制策略的不同过程控制环路。典型的情况是，这些设备被配置为利用事先制定的周期通信来传送与实现过程控制环路相关的特定控制功能所需的数据并利用非周期或异步通信传送其它数据(例如设定点改变)。因此在利用事先制定的周期通信实现的具有分布控制函数的过程控制网络中，由于主设备必须采用异步通信方式发送诊断控制信号，无法精确控制诊断控制信号(或其不同部分)到达被测试设备的时刻，所以主设备无法向过程控制设备发送具有严格确定意义的诊断控制信号，而系统被配置为实现普通的控制策略。实际上，利用异步通信，主设备无法知道诊断控制信号(或其任何特定部分)何时到达被控制设备的输入处。因此为了向具有分布控制功能的的过程控制网络中设备发送具有确定意义的诊断控制信号，网络的控制配置必须重新配置，但这必须离线处理。
而且虽然某些过程控制设备(例如Fisher控制国际股份公司制造和销售的Fieldvue和Flowscanner设备)能够完成自诊断，但这些设备局限于在利用模拟或模拟/数字混合通信协议进行不同设备间通信的过程控制系统中使用。现在还没有过程控制设备能够在全数字系统或者完成分布控制功能的通信系统中完成自诊断。
而且能够完成自诊断的过程控制设备局限于完成由设备制造商硬件编码人设备内的诊断，因此无法完成由主机或用户(包括由不同设备制造商研制的程序)生成的诊断程序或测试。这种情况使用户无法对工厂内所有不同类型的设备运行同一测试。
而且完成自诊断的过程控制设备一般也无法完成过程诊断。因此即使在包含能够完成某些自诊断(即设备诊断)的现场设备的系统内也必须建立完成过程诊断的主设备。但是如上所述，由于控制结构必须重新配置以使主机能同步控制设备，所以主设备难以在包含分布功能的过程控制系统中完成过程诊断。而且在过程诊断期间利用不同的控制方案可能会给过程正常运行期间控制方案的实现带来错误或失准。而且具有诊断功能的现场设备无法诊断没有本地诊断能力的其它现场设备。
发明内容
本发明提供一种完成在过程控制网络中的特定过程控制设备的设备和过程诊断的装置和方法，比较好的是在具有分布控制功能的过程控制上，或由该设备而来中。按照本发明，诊断测试程序(可以是设备或过程诊断测试程序)存储在过程控制设备内并由其执行以完成对过程控制设备的诊断而无需重新配置与过程控制网络相连的控制结构。因此诊断测试子程序可以根据本发明实现而过程可以在基本上与过程正常操作器件相同的控制策略下进行。而且按照本发明的由过程控制设备实现的设备或过程诊断测试程序可以由用户在主设备上生成并在运行诊断测试程序之前送至过程控制设备，这使得过程控制设备能够实现任何所需的诊断测试程序，包括其它设备制造商提供的程序。
按照本发明的一个方面，能够在用于包含多个由双线数字功率总线互相耦合的现场设备的过程控制网络的现场设备包含：气动操纵的流体控制阀门；通过气动压力线路与流体控制阀门耦合的定位器，用来产生使流体控制阀门在从开启位置到关闭位置范围内运动的的气动压力；以及与定位器和流体控制阀门耦合的位置传感器，用来检测流体控制阀门的位置。压力传感器与与气动压力线路耦合，用来检测施加在流体控制阀门上的气动压力，气动转换器上的电学信号通过气动压力线路与定位器耦合，用来控制作为电学信号函数的气动压力线路中的气动压力。一台电子控制器与电至压力的转换器、压力传感器和位置传感器耦合，并且包括控制逻辑，它根据指示由压力传感器检测的压力和位置传感器检测的位置的反馈信号并根据现场设备控制信号确定电学信号。而且数字接口与双线数字功率总线和电子控制器耦合并且包含向现场设备提供功率总线输送的功率的电路和接收包括来自总线的现场设备控制信号的信号并向总线发送指示现场设备状态的信号的两路通信电路。
按照本发明的另一方面，能够在用于包含多个由双线全数字通信总线互相耦合的现场设备的过程控制网络的现场设备包含：连接双线全数字总线从而在总线上进行全数字通信的连接器；存储包含一系列诊断测试指令的诊断测试程序的存储器；以及利用现场设备完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的控制器。现场设备还包含采集诊断测试期间生成的诊断数据的数据采集单元和在总线上以全数字格式传送采集的诊断数据的通信单元。
比较好的是，控制器包括适于解释程序语言的程序语言解释器并且诊断测试指令以程序语言存储并经总线从多个设备中的第二个送至现场设备控制器。同样，如上所述，诊断测试指令可以完成设备和/或过程的诊断。如果诊断测试指令定义了过程诊断，则数据采集单元适于接收诊断测试期间其它设备生成的数据。
按照本发明的另一方面，能够在用于包含多个由总线互相耦合的现场设备的过程控制网络的现场设备包含：存储包含一系列诊断测试指令的诊断测试程序的存储器；完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的设备控制器；采集诊断测试期间生成的诊断数据的数据采集单元；以及经总线从多个设备中的第二个接收诊断测试指令、将接收的诊断测试指令存储在存储器内并在总线上传送采集的诊断数据的通信单元。
按照本发明的另一方面，能够在用于包含多个由双线数字驱动总线互相耦合的现场设备的过程控制网络的现场设备包含：存储包含由现场设备实现的一系列诊断测试指令的诊断测试子程序的存储器；以及完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的设备控制器。现场设备还包含采集诊断测试期间生成的诊断数据并经总线从多个设备其中第二个接收进一步过程诊断数据的数据采集单元。现场设备内的通信单元在过程诊断处理完成以后于总线上传送采集的诊断数据和进一步过程诊断数据。
附图的简要说明
图1是使用现场总线协议的示例过程控制网络的示意方框图；
图2是其中具有一组三功能块的现场总线装置的示意方框图；
图3是示出位于图1过程控制网络的某些装置内的功能块的示意方框图；
图4是位于图1的过程控制网络内的过程控制回路的控制回路示意图。
图5是图1的过程控制网络的一段总线的宏循环的时序示意图；
图6为示意块图，示出了具有双线环路通电的两路数字通信定位器的数字现场设备；
图7为用于控制图6数字现场设备的合适现场设备控制器的示意块图；
图8为完成诊断测试技术的流程图；
图9为测试图6数字现场设备的诊断测试协议的流程图；
图10A、10B和10C为曲线图，示出了根据本发明用于完成设备诊断的不同诊断测试信号；
图11A和11B为控制环路示意图，包含按照本发明的诊断数据采集功能块；以及
图12为利用图11的诊断数据采集功能块完成过程诊断测试的诊断测试协议流程图。
实施发明的较佳方式
结合一过程控制网络来详细描述本发明的设备和过程诊断的方法，该过程控制网络使用一组现场总线装置以分散或分布方式来实现过程控制功能，应注意本发明的诊断方法可使用这样的过程控制网络，这些网络使用其它类型的现场装置和通信协议(包括不依靠双线总线的协议和只支持模拟或模拟数字通信的协议)来进行分布控制功能。于是，例如，本发明的设备和过程诊断可用于进行分布控制功能的任何过程控制网络，即使该过程控制网络使用HART、PROFIBUS等通信协议或者现有或将来可开发的任何其它通信协议。此外，本发明的诊断方法亦可用于是有分布控制功能，例如，HART网络等的标准过程控制网络。又可用于任何需要过程控制的设备，诸如阀门、定位器、传感器之内。
在讨论本发明的诊断的细节前，将对现场总线协议、依据该协议构成的现场装置以及在使用现场总线协议的过程控制网络中发生通信的方式进行总体描述。然而，应理解，虽然现场总线协议是一个为用于过程控制网络而开发的相对新的全数字通信协议，该协议在本领域内是公知的，且在例如现场总线Foundation(一个总部设在德克萨斯州奥斯汀市的公益性组织)所出版、分发和获得的大量文章、小册子和说明书中有详细描述。尤其是，在公知的来自现场总线Foundation的通信技术说明书和用户层技术说明书这类手册中详细地描述了现场总线协议以及使用该现场总线协议进行通信及把数据存储在装置中的方式，从而在这里把引用其全部内容作为参考。
现场总线协议是一种全数字串行双向通信协议，它为位于例如工厂或车间的设备或过程控制环境中的诸如传感器、传动器、控制器、阀门等双线回路或总线互连“现场”设备提供标准化物理接口。实际上，现场总线协议为位于过程装置中的现场设备(现场装置)提供了局域网络，这样使这些现场装置在分布于整个过程中的各个位置处进行控制功能并在进行这些控制功能前后相互通信以实现整个控制策略。由于现场总线协议使控制功能分布于整个过程控制网络中，所以它减少了中央处理控制器(通常与DCS相连)的复杂性，或完全不需要此控制器。
参考图1，使用现场总线协议的过程控制网络10可包括经由双线现场总线回路或总线34连到诸如程序逻辑控制器(PLC)13、许多控制器14、另一个主机装置15和一组现场装置16、18、20、22、24、26、28、30和32等许多其它装置的主机12。总线34包括由桥接装置30和32分开的不同部分或段34a、34b和34c。每个部分34a、34b和34c互连接在总线34上的装置的子集，使得在这些装置子集按以下所述的方式进行通信。当然，图1的网络只是示意性的，还有可以使用现场总线协议来构成过程控制网络的许多其它方法。一般，配置器位于诸如主机12等一个装置中，且负责建立或配置每个装置(这些装置是“智能型”装置，因为它们中的每一个都包括能进行通信和控制功能(在某些情况下)的微处理器)，以及识别什么时候把新的现场装置连到总线34、什么时候把现场装置从总线34上除去，接收现场装置16-32产生的数据并与一个或多个用户终端相接，这些用户终端位于主机12或以任何方式连到主机12的任何其它装置中。
总线34支持或允许双向的纯数字通信，且还可给诸如现场装置16-32等与其相连的任何或所有装置提供功率信号。或者，装置12-32中的任何或所有装置可具有它们自己的电源，或者可以经由单独的线(未示出)连到外部电源。虽然在图1中示出装置12-32以标准总线型连接连到总线34，其中多个装置连到构成总线段34a、34b和34的同一对线，但现场总线协议还允许其它的装置/线拓扑结构，包括每个装置经由单独的双线对连到控制器或主机(类似于典型的4-20mA模拟DCS系统)的点到点连接、每个装置连到双线总线(可以是例如过程控制网络的一个现场装置中的连接盒或端接区)中的公共点的树型或“齿轮型”连接。
依据现场总线协议，可以相同或不同的通信波特速率或速度在不同的总线段34a、34b和34c上发送数据。例如，现场总线协议提供了所示被图1中的总线段34b和34c所使用的31.25Kbit/s的通信速率(H1)，以及1.0Mbit/s和/或2.5Mbit/s(H2)通信速率，这两个速率通常用于高级过程控制、远程输入/输出和高速工厂自动设备且示出被图1的总线段34a所使用。同样，依据现场总线协议，可使用电压模式信令或电流模式信令在总线端34a、34b和34c上发送数据。当然，总线34每一段的最大长度没有严格的限制，而是由该段的通信速率、电缆类型、线的尺寸、总线功率选项等来确定。
现场总线协议把可连到总线34的装置分成三类，即基本装置、主链接(linkmaster)装置和桥接装置。基本装置(诸如图1的装置18、20、24和28)可进行通信，即来往于总线34发送和接收通信信号，但它们不能控制总线34上所发生的通信的顺序或定时。主链接装置(诸如图1中的装置16、22和26以及主机12)是在总线34上进行通信的装置，它们能控制总线34上通信信号的流程和定时。桥接装置(诸如图1中的装置30和32)是在现场总线总线的各段或分支上进行通信并把它们互连来产生较大的过程控制网络的装置。如果需要，桥接装置可在总线34的不同段上所使用的不同数据速度和/或不同数据信令格式之间进行转换，可放大在总线34的段之间传播的信号，可对在总线34的不同段之间流动的信号进行滤波且只让指定将由桥路耦合到的总线段上的装置接收的那些信号通过，和/或可采取链接总线34的不同段所需的其它动作。连接以不同速度操作的总线段的桥接装置在桥路的较低速度段一侧必须具有主链接容量。主机12和15、PLC13和控制器14可以是任何类型的现场总线装置，但它们通常是主链接装置。
装置12-32中的每一个都能在总线34上进行通信，重要的是，它们能使用该装置从过程获取的或经由总线34上的通信信号从不同装置获取的数据独立地进行一个或多个过程控制功能。因此，现场总线装置能直接实行整个控制策略的一部分，这些部分在过去是由DCS的中央数字控制器来进行的。为了进行控制功能，每个现场总线装置包括在该装置内的微处理器中实行的一个或多个标准化“块”。尤其是，每个现场总线装置包括一个资源块、零个或多个功能块以及零个或多个转换器(transducer)块。这些块叫做块目标。
资源块存储和传送属于现场总线装置的某些特性的装置特定数据，例如包括装置类型、装置修改指示和是否可在装置的存储器内获得其它装置特定信息的指示。虽然不同的装置制造商可在现场装置的资源块中存储不同类型的数据，但符合现场总线协议的每个现场装置包括存储某些数据的资源块。
功能块定义和实行与现场装置相关的输入功能、输出功能或控制功能，于是，功能块一般被叫做输入、输出和控制功能块。然而，将来还存在或开发出诸如混合功能块等其它类型的功能块。每个输入或输出功能块产生至少一个过程控制输入(诸如来自过程测量装置的过程变量)或过程控制输出(诸如发送到驱动装置的阀位置)，同时每个控制功能块使用算法(实际上可以是专用的)从一个或多个过程输入和控制输入中产生一个或多个过程输出。标准功能块的例子包括模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、偏置(B)、控制选择器(CS)、离散输入(DI)、离散输出(DO)、手动装载机(ML)、比例/微分(PD)、比例/积分/微分(PID)、比率(RA)和信号选择器(SS)功能块。然而，存在其它类型的功能块，也可定义或产生在现场总线环境下操作的新功能块。
转换器块把一功能块的输入和输出耦合到诸如传感器和装置传动器等本地(local)硬件装置，以使这些功能块可读取本地传感器的输出并命令本地装置进行诸如移动阀门部件等一个或多个功能。转换器块通常包含解释由本地装置所传递的信号以及对本地硬件装置进行适当控制所需的信息，例如包括识别本地装置类型的信息、与本地装置有关的校准信息等。单个转换器块通常与每个输入或输出功能块相连。
大多数功能块能根据预定判据来产生警告或事件指示并能以不同的模式进行不同的操作。总的来说，功能块可以其中例如功能块的算法自动操作的自动模式进行操作；功能块可以其中手动地控制例如功能块的输入或输出的操作者模式进行操作；可以退出模式即功能块不操作的方式进行操作功能块可以其中块的操作受到不同块的输出的影响(确定)的层叠模式进行操作；以及功能块可以其中一远程计算机确定块模式的一个或多个远程模式进行操作。然而，在现场总线协议中还存在着其它操作模式。
重要的是，每个块能使用由现场总线协议所定义的标准报文格式经由现场总线总线34与同一或不同现场装置中的其它块进行通信。结果，功能块(位于同一或不同装置中)的组合可相互通信，以产生一个或多个分散控制回路。于是，例如，一个现场装置中的PID功能块可经由总线34连接到接收第二现场装置中的AI功能块的输出，向第三现场装置中的AO功能块发送数据，以及接收AO功能块的输出作为反馈以产生与任何DCS控制器分开的过程控制回路。这样，功能块的组合把控制功能移出中央DCS环境，这样使得CDS多功能控制器可进行监督或协调功能或把它们一起清除。此外，功能块为简化过程结构提供了图解的面向块的结构，并且因为这些块使用一致的通信协议所以这些功能可分布于不同供应商的现场装置中。
除了包含和实行块目标以外，每个现场装置还包括一个或多个其它的目标，包括链接目标、转向目标、警报目标和观察目标。链接目标定义了现场装置内部和跨现场总线总线34的块(诸如功能块)的输入和输出之间的链路。
转向目标使功能块参数局部转向，以被诸如图1的主机12或控制器14等其它装置所访问。转向目标保留属于某些例如功能块参数的短时期历史数据并以异步方式经由总线34把该数据报告给其它装置或功能块。警报目标在总线34上报告警告和事件。这些警告或事件可相应于在一装置或一装置的一个块内所发生的任何事件。观察目标是在标准入/机联系中所使用的块参数的预定分组，观察目标可被发送到其它装置以便随时观察。
现在参考图2，示出三个现场总线装置，它们可以是例如图1的现场装置16-28中的任一个，它们包括资源块48、功能块50、51或52和变换器块53和54。在第一装置中，功能块50(可以是输入功能块)通过变换器块53耦合到传感器55，传感器55可以是例如温度传感器，设定点指示传感器等。在第二装置中，功能块51(可以是输出功能块)通过变换器块54耦合到诸如阀门56等输出装置。在第三装置中，功能块52(可以是控制功能块)具有与其相连的转向目标57，用以使功能块52的输入参数转向。
链接目标58定义了每个有关块的块参数，警报目标59为每个有关块提供了警告或事件通知。观察目标60与每个功能块50、51和52相连且包括或集中了与其相连的功能块的数据清单。这些清单包含用于一组所定义的不同观察中每一个观察所需的信息。当然，图2的装置只是示意性的，在任何现场装置中可提供其它数目和类型的块目标、链接目标、警报目标、转向目标和观察目标。
现在参照图3，过程控制网络10的方框图还示出与定位器/阀门(positioner/valve)16、发射器20和桥路30相关的功能块，其中将装置16、18和24示为定位器/阀门装置而将装置20、22、26和28示为发射器。如图3所示，定位器/阀门16包括资源(RSC)块61、传感器(XDCR)块62和大量功能块，它包括模拟输出(AO)功能块63、两个PID功能块64和65以及信号选择(SS)功能块69。发射器20包括资源块61、两个传感器块62和两个模拟输入(AI)功能块66和67。此外，桥路30包括资源块61和PID功能块68。
应理解，图3的不同功能块可以在多个控制环路中一起操作(通过沿着总线34进行通信)，而且由环路识别块识别其中设有所示控制环路中定位器/阀门16、发射器20和桥路30的功能的控制环路，其中所述功能识别块与这些功能块中的某个功能块相连(如图3所示)。于是，如图3所示，在标为LOOP1的控制环路中，将定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射器20的AI功能块66相连，同时在标为LOOP2的控制环路中将定位器/阀门16的SS功能块69、发射器20的AI功能块67以及桥路30的PID功能块68相连。在标为LOOP3的控制环路中，连接定位器/阀门16的其它PID功能块65。
在如图4所示的这个控制环路的示意图中，详细示出构成标为图3中LOOP1的控制环路的相互连接的功能块。从图4可见，由在定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射器20的AI功能块66之间的通信链路完全形成控制环路LOOP1。图4的控制环路示出运用附着这些功能块的处理和控制输入及输出的线路，在这些功能块之间的通信相互连接关系。于是，通过总线段34b，包括处理测量或处理参数信号的AI功能块66的输出与PID功能块64的输入通信联络地耦合，其中所述PID功能块64具有包括与AO功能块63的输入通信联络耦合的控制信号的输出。包括例如表示阀门16位置的反馈信号的AO功能块63的输出与PID功能块64的控制输入相连。PID功能块64运用这个反馈信号以及来自AI功能块66的处理测量信号来自实现对AO功能块63的适当控制。当然，可以在现场装置内执行由图4的控制环路图中的线路表示的连接，当带有AO和PID功能块63和64的情况下，功能块在相同现场装置(例如，定位器/阀门16)内，或者通过两根线通信总线34，运用标准的现场总线同步通信，可以实现这些连接。当然，可由在其它结构中通信联络相互连接的其它功能块来实现其它控制环路。
为了实现和执行通信和控制活动，现场总线协议运用标为物理层、通信“多层(stack)”和用户层的大致三种技术。用户层包括以在任一特定过程控制装置或现场装置内的块(诸如功能块)和目标的形式提供的控制和结构功能。一般由装置制造商以适当的方法来设计用户层，但是必须能够根据由现场总线协议限定的标准消息格式来接收和传输消息，以及功能由用户以标准方法来设置。物理层和通信多层必须运用两根线总线34以标准化方法来影响在不同现场装置的不同块之间的通信，而且可由已知的开放系统互连(OSI)分层通信模型来建立它们的模型。
在每个现场装置和总线34中的与OSI层1相对应的物理层，进行操作以将从现场总线传输媒体(两根线总线34)接收到的电磁信号转换成能供现场装置的通信多层运用的消息。物理层可被认为是总线34，而且在现场装置的输入端和输出端，电磁信号出现在总线34上。
出现在每个现场总线装置中的通信多层包括与OSI层2相对应的数据链路层、现场总线访问子层和与OSI层6相对应的现场总线消息特定层。在现场总线协议中没有对于OSI层3-5的相应结构。然而，现场总线装置的应用包括层7，同时用户层是层8，这在OSI协议中没有限定。在通信多层中的每个层负责编码或解码在现场总线总线34上传输的一部消息或信号。结果，通信多层中的每一层都附加或去除某些现场总线信号，诸如前置信号、起始定界符和结束定界符，以及在一些情况下，解码现场总线信号的剥去(stipped)部分以识别应把剩余信号或消息送到哪里去，或者例如由于信号包括用于没有在接收现场装置中的功能块的消息或数据，是否应丢弃该信号。
数据链路层控制总线34上传输消息并根据下面将要描述的被称为链路现行定标器(link active scheduler)的确定的集中总线定标器，管理对总线34的访问。数据链路层在传输媒体上从信号中去除前置信号，并可以运用接收到的前置信号来使现场装置的内部时钟与入局现场总线信号同步。同样，数据链路层将在通信多层上的消息转换成物理现场总线信号，而且用时钟信息对这些信号进行编码以产生“同步序列”信号，它具有用于在两根线总线34上传输的适当前置信号。在解码处理过程中，数据链路层认识在前置信号内的特定代码，诸如，起始定界符和结束定界符，以识别特定现场总线消息的开始和结束，而且可以执行检验和来验证从总线34接收到的信号或消息的完整性。同样，数据链路层通过将起始和结束定界符加到在通信多层上的消息并在适当的时候将这些信号设置在传输媒体上，来在总线34上传输现场总线信号。
现场总线消息特定层运用标准消息格式组来允许用户层(即，现场装置的功能块、目标等)通过总线34进行通信，并描述建立要设置在通信多层上的消息并向用户层提供所需的通信装置、消息格式和协议行为。由于现场总线消息特定层提供用于用户层和标准化通信，所以对于上述每种目标限定特定现场总线消息特定通信业务。例如，现场总线消息特定层包括目标表(dictionary)业务，它允许用户读取装置的目标表。目标表存储描述或识别装置的每个目标(诸如，功能块)的目标说明。现场总线消息特定层还提供上下文管理业务，它允许用户读取和改变与装置的一个或多个目标相关的被称作为虚拟通信关系(VCR)(如下所述)的通信关系。另外，现场总线消息特定层提供各种访问业务、事件业务、数据上装和数据下装业务以及程序调用业务，在现场总线协议中所有这些都是已知的，因而这里不再详细描述。现场总线访问子层将现场总线消息特定层映射在数据链路层中。
为了允许或使得能够操作这些层，每个现场总线装置包括管理信息基(MIB)，它是存储VCR、动态变量、统计学、链路现行定标器时间表(link activescheduler timing schedule)、功能块执行时间表和装置特征和地址信息。当然，可在任何时刻，运用标准现场总线消息或命令来访问或改变在MIB内的信息。此外，一般每个装置设有装置说明以使用户或主机对VFD中的信息有一补充了解。一般必须标为由主机使用的装置说明存储主机理解在装置的VFD中的数据音义所需的信息。
应理解，为了运用在处理控制为了中所述的功能块来实现任何控制策略，相对应在特定控制环路中的其它功能块的执行，必须精确地安排功能块的执行时间表。同样，必须精确地安排在总线34上执行的在不同功能块之间的通信，从而在该块执行之前，向每个功能块提供适当数据。
现在，参照图1描述其中不同现场装置(和在现场装置中的不同块)通过现场总线传输媒体进行通信的方法。对于发生的通信，在总线34中的每段上的一个链路主装置(例如，装置12、16和26)作为链路现行调度器(LAS)进行操作，它现场调度和控制在总线34的相关段上的通信。用于总线34的每段的LAS存储和更新通信时间表(链路现行时间表)，它包括调度每个装置的每个功能块以起始在总线34上的周期性通信活动的时间，以及发生这种通信活动的时间长度。虽然在总线34的每段上有一个并且只有一个现行LAS装置，但是其它链路主装置(诸如，在段34b上的装置22)可以用作备份LAS，而且例如当当前LAS出故障上，它编程现行的。在任何时刻，基本装置都没有变成LAS的能力。
一般而言，总线34上的通信活动被划分为重复的宏循环，每个包含一个用于总线34任一特定段上每个激活功能块的同步通信和用于总线34某一段上一个或多个激活功能块或设备的一个或多个异步通信。即使设备通过总线34上桥和LASs的协同操作物理上连接总线34不同的段，设备也可以是激活的，即发送数据并接收来自总线34任一段上的数据。
在每个宏循环内，每个在总线34特定段上激活的功能块通常在不同但是精确安排的时序(同步)上执行，并且以另一精确安排的时序在总线34的该段上发布其输出数据以响应LAS生成的强制数据命令。比较好的是，每个功能块在功能块执行周期结束后不久发布其输出数据。而且不同功能块的数据发布时序都依次安排好从而使总线34特定段上没有两个功能块是同时发布数据的。在未进行同步通信期间，允许每个现场设备利用通信驱动的令牌，以异步模式发射报警数据、查看数据等。完成每个功能块所需的执行时序和时间长度存储在驻留功能块的设备的管理信息库(MIB)内，如上所述，向总线34某一段上每个设备发送强制数据命令的时序存储在该段LAS设备的MIB内。由于这些功能块执行或发送数据的时序标明了相对“绝对链接安排开始时刻”(对于连接在总线34上的所有设备来说它都是已知的)的偏离，所以它们一般作为偏离时间存储。
为了在每个宏循环内实现通信，LAS(例如总线段34b上的LAS16)根据存储在链接激活安排表内的发送时序列表向总线段34b上的每个设备发送强制数据命令。在接收到强制数据命令后，设备的功能块在特定时间内于总线34上发布输出数据。由于每个功能块一般是按照安排执行的，从而使得块的执行在块安排接收强制数据命令之前进行，所以响应强制数据命令而发布的数据应该是功能块最近的输出数据。但是如果功能块执行缓慢并且在接收到强制数据时未锁存新的输出，则功能块发布在其最后执行期间生成的输出数据并利用时间戳记指示发布的数据是旧数据。
在LAS向总线34特定段上每个功能块发送强制数据命令之后并在功能块执行期间，LAS可以进行异步通信活动。为了实现异步通信，LAS向特定的现场设备发送传递令牌报文。当现场设备接收到传递令牌报文时，现场设备对总线34(或者它的一段)具有完全访问能力并且可以发送异步报文(例如报警报文、转向数据、操作者设定点变化等)直到报文完成或者最大分配的“令牌保持时间”到期。随后现场设备释放总线34(或者其任一段)并且LAS向另一设备发送传递令牌报文。重复这样的过程直到宏循环结束或者直到LAS被安排发送强制命令数据以实现同步通信。当然，根据报文业务量和耦合至总线34任一特定段上的设备和块的数量，并不是每个设备都可以在每个宏循环内接收传递令牌报文的。
图5示出时序图，表示图1中总线段34b上功能块在总线段34b的每次宏循环期间执行的时间和与总线段34b相关的每次宏循环期间出现同步通信的时间。在图5的时序表中，水平轴表示时间，垂直轴表示与图3中定位器/阀门16和发射器20的不同功能块相关的活动。图5中以下脚标表示每个功能块操作的控制回路。因此，AILOOP1指发射器20的AI功能块66,PIDLOOP1指定位器/阀门16的PID功能块64，等等。图5中，以划斜线的方框表示每个所示功能块的块执行周期，而以垂直条表示每个预定的同步通信。
因此，根据图5的时序表，在(图1)总线段34b的任何特定宏循环期间，AILOOP1功能块首先在方框70指定的时间周期中执行。然后，在垂直条72表示的时间周期中，响应于LAS对总线段34b的强迫数据命令在总线段34b上公布AILOOP1功能块的输出。同样，方框74、76、78、80和81分别表示功能块PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3的执行时间(对于每一个不同的功能块，时间是不同的)，而垂直条82、84、86、88和89分别表示PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3功能块在总线段34b上公布数据的时间。
显然，图5的时序图还示出可供进行异步通信活动的时间，它们可以出现在任何功能块的执行时间中以及宏循环结束时没有功能块在执行和在总线段34b上不发生同步通信的时间中。当然，如果需要的话，可以有意识地安排不同的功能块在相同时间上执行，例如，如果没有其它装置订购功能块所产生的数据，不必让所有的功能块在总线上公布数据。
现场装置(field device)利用各装置多层的Fieldbus存取子层中所定义的三种虚拟通信关系(VCR)中的一种关系能够在总线34上公布或发送数据和消息。对于在总线34上装置之间排队、非预定、用户始发、一对一的通信，可采用客户/服务器VCR。根据这种排队消息的优先级，按照提交进行发送的次序对它们进行发送和接收，而不改写以前的消息。因此，当现场装置从LAS接收一条通过记号消息，将请求消息在总线34上发送到另一个装置时，它可以采用客户/服务器VCR。将请求者称为“客户”，将接收请求的装置称为“服务器”。当服务器从LAS接收通过记号消息时它发出一个应答。例如，采用客户/服务器VCR来实现操作者始发请求，例如设定点变化、调谐参数存取和变化、报警确认和装置装载和卸载。
对于排队、非预定、用户始发、一对多的通信，可以采用报告分布VCR。例如，当具有事件或转向报告的现场装置从LAS接收通过记号时，该现场装置将其消息发送到该装置通信多层的Fieldbus存取子层中所定义的“组地址”。为在该VCR上收听而配置的装置将接收该报告。Fieldbus装置通常采用报告分布VCR类型来将报警通知传送操作者控制台。
对于缓冲、一对多通信，采用出版者/订购者VCR类型。缓冲通信是仅存储和传送最新版本数据的通信，因此新的数据完全改写以前的数据。功能块的输出例如包括缓冲数据。当出版者装置从LAS或从订购者装置接收强迫数据消息时，“出版者”现场装置利用出版者/订购者VCR类型将消息发布或播放给总线34上所有的“订购者”现场装置。预先确定出版者/订购者关系并将其限定和存储在各现场装置通信多层的Fieldbus存取子层中。
为了保证总线34上的适当的通信活动，各LAS周期性地将时间分布消息传送到与总线段34连接的所有现场装置，使得接收装置将它们的局部应用时间调节为相互同步。在这些同步消息之间，根据每个装置自身的内部时钟，独立地维持每个装置中的时钟时间。时钟同步允许现场装置对整个Fieldbus网络上的数据加时间印记，表示例如数据是何时产生的。
此外，每个总线段上的各LAS(和其它连接主装置)存储“运转清单(live list)”，这是一张与该总线段34连接的所有装置，即对通过记号消息作出适当响应的所有装置的清单。LAS通过周期性地将探查节点消息传送到不在运转清单上的地址，对增加到总线段上的新装置进行连续识别。事实上，在每个LAS完成将通过记号消息传送到运转清单中所有现场装置的循环后，需要它对至少一个地址进行探查。如果有一个现场装置出现在被探查的地址上并接收到探查节点消息，那么该装置立即返回一个探查应答消息。在接收探查应答消息时，LAS将该装置增加到运转清单中并通过将节点激活消息传送到被探查的现场装置而确认。只要现场装置对通过记号消息作出适当应答该现场装置便维持在运转清单上。然而，如果在经过三次连续尝试后现场装置既没有采用该记号又没有立即将该记号返回给LAS，那么该LAS将现场装置从运转清单中排除。当现场装置被增加到运转清单中或者从运转清单中排除时，LAS将运转清单中的变化播放给总线34特定一段上的所有其它连接主装置，允许每个连接主装置维持当前复制的运转清单。
如上所述，现场装置及其功能块之间的通信互连是由用户确定的并利用位于例如主机12中的配置应用程序在过程控制网络10中实现。然而，在配置后，过程控制网络10的操作无需考虑装置或过程诊断，因此与主机12接口，进行标准I/O功能，但不进行诊断功能。
当用户希望进行诊断时，用户可以用主机12将设定点变化传送到例如控制LOOP1的AO功能块63并利用与AO功能块63有关的转向对象将反馈记录在AO功能块63中。然而，进行这种类型的通信，主机12必须采用异步(非发布的)通信，它允许主机12只有在主机12从LAS接收通过记号消息时才接入总线34。结果，由主机12产生的诊断信号的不同部分可以在精确确定的时间(精确排定的时间)到达AO功能块63，这意味着在AO功能块63上接收的诊断信号将具有至少部分地是由总线34上通信储备在任何特定时间所确定的形状。由于这一原因，利用异步通信传送的任何诊断信号将不是严格确定的，因此在进行装置或过程的诊断中可以不是十分有效的。此外，主机12无法保证由转向目标收集的反馈数据将不发生由于改写等而造成的丢失。此外，主机12无法控制LOOP1中其它功能块，如PID功能块64的模式，无法具体改变该模块的模式。
至此，为了保证完全并严格地确定过程中的诊断，用户不得不与过程控制网络10断开和重新配置其中的通信接口，使得主机2能够将设定点变化传送到合适的装置并通过同步通信接收由合适装置测量的数据。然而，如上所述，这一步骤中断了过程并需要操作者只要在进行诊断时就要重新配置过程控制网络，这两点都是不希望有的。此外，在这一诊断过步骤间由主机12执行的控制与在过程正常操作期间由通信连接功能块执行的控制是不同的，因此，所收集的过程数据可以不代表过程正在得到正常控制时的操作。
为了克服例如Fieldbus过程控制网络中的这些缺点，装置或过程诊断方法被存储在现场装置中并从现场装置执行，可以将其用于在该装置上或者利用该装置进行装置和/或过程诊断。把可以作为功能块执行的诊断过程配置为与位于装置中和接收数据的功能块或其它部件进行通信，例如利用同步周期通信(例如Fieldbus协议的出版者/订购者VCR)在例如总线34上测量装置参数或其它过程参数。以这种方式，诊断过程能够决定性地控制位于其中的装置并以周期方式接收和存储属于装置或过程参数的数据。
现在参考图6，示意方块图表示(图3)数字现场装置16，这是一个双线、回路供电、双向数字通信定位器/阀门组合。数字现场装置16包括现场装置控制器102、I/P转换器104、气动中继106、传动器108和阀门109，它们通过各种气压和电气线互连。
现场装置16最好根据Fieldbus标准经过双线总线段34b以数字形式接收操作信号和发送状态信息和数据，因此，是一个双线定位器。同样，现场装置16经过双线连续回路总线段34b接收功率，主要是驱动装置控制器102和I/P转换器104，因此，是一个回路供电装置。
如图6所示，I/P转换器104通过I/P转换器控制线110与装置控制器102电连接，在例举的实施例中，利用模拟控制信号进行与装置控制器102的通信。
I/P转换器104产生气压信号，该信号引起阀门109动作，在电机械装置中将电信号转变为气压定位器的气压是很有用的。传动器108控制阀门109的阀门构件114(这可以阀门杆)的位置，而位置敏感器116对阀门构件114的位置敏感并产生反馈信号，经信号线117传送到装置控制器102。装置控制器102可以利用这一位置信号来控制现场装置16的操作，使得I/P转换器104以引起阀门构件114定位在所需位置上的方式驱动气动压力。可以将位置和其它反馈信息存储在装置控制器120的储存单元或存储器中并经过总线34进行外部存取。
由于是标准，现场装置16经过接至I/P转换器104和气动中继106的气压线118接收从外部源(未示出)供给的加压空气。通常位于外部空气源与I/P转换器104之间的输入敏感器120测量气压线118中的输入气压供给压力并将这一测量结果送至装置控制器102。I/P转换器104经气压控制线122被接至气动中继106，I/P敏感器124位于I/P转换器104与气动中继106之间，测量气压控制线122中的气压供给压力。同样，气动中继106经气压传动线126被接至传动器108，中继敏感器128位于气动中继106与传动器108之间，测量气压传动线126中的气压供给压力。气压线118、122和126被认为是将敏感器104与阀门109互连起来的单个气压线的一部分。
在操作期间，装置控制器102通过控制I/P转换器104设定气压控制线126中受控阀门的操作压力而控制阀门109的传动。装置控制器102经I/P传感器控制线110将控制信号传送到I/P转换器104，把I/P转换器104和中继106组合的输出压力控制在约3-100psi(0.21-7.06kscm)之间，将其施加到传动器108的控制输入上。传动器108产生输出压力，应用该压力使阀门109操作。
因此，正如人们所知的，I/P转换器104把电信号转换为气动空气压力信号。合适的I/P转换器104的一个例子在1995年8月8日授权的题目为“电-气压传换器”的第5439021号美国专利中所述，这里将其整个引作参考。同样，起气压放大器作用的气动中继106按照装置控制器102的指挥受I/P转换器104控制，将气压传动信号线126的空气压力增大一控制量。因此，通常说，气动中继106响应于装置控制器102的控制信号，将受控输出压力提供给负载或者使用装置，如传动器或活塞。在1990年12月4日授权的题目为“四种模式气动中继”的第4974625号美国专利中描述了一个合适的中继，这里将其整个引作参考。在例举的实施例中，中继106是可以为正向/速动、正向/正比、反向/速动或反向/正比操作的任何组合而配置的多功能四模式气动中继。在正比模式中，气动中继106产生正比于输入压力或力的压力输出、在开/关或速动模式中，气动中继106根据所施加的一定范围的力或压力控制输入，产生恒定压力输出，通常等于所施加的压力。在正向操作模式中，气动中继106的输出压力随输入信号的增大而增大。在反向操作模式中，中继输出压力随输入信号的增大而降低。
输入敏感器120、I/P敏感器124和中继敏感器128是压力转换器，它包含将压力信号转变为电信号并经线路130将反馈信号提供给装置控制器102的压力至电信号的转换器。I/P敏感器124对于检测是I/P转换器104故障还是气动中继106故障，例如确定故障是机械故障还是电气故障是有用的诊断手段。I/P敏感器124对于检测一些系统问题，例如确定输入到数字现场装置16的空气压力是否足够也是有用的。结果，I/P敏感器124允许对I/P转换器104和气动中继106进行快速诊断，如果需要的话能够迅速替换这些装置。
在一个实施例中，供数字现场装置16使用的合适的阀门109是阀门和传动器组件，它在模拟装置中使用的滑动杆阀上采用弹簧和隔膜传动器，在这里引作参考的1990年12月11日授予W.V.Fitzgerald的题目为“流体控制阀的诊断装置和方法”的第4976144号美国专利中对这种模拟装置作了描述。在这一示范实施例中，根据由装置控制器102施加到I/P转换器104的约4mA的信号，将约3psi(0.21kscm)的压力信号提供给传动器108，导致气压传动信号线126中的相应压力不足以使阀门109从完全打开位置移动。如果现场装置控制器102将施加到I/P转换器104的控制电流变为约20mA，那么，I/P转换器104在气压传动线126中产生约15psi(1.06kscm)的压力，它迫使阀门109位于完全关闭位置。通过装置控制器102的操作，将施加到I/P转换器104的输入电流在4mA至20mA之间的范围，可以使阀门109位于完全打开位置与完全关闭位置之间的不同位置上。
装置控制器102进行较高速的数字通信，经过总线34接收控制信号和将位置和压力信息发送到外部处理器或过程控制网络10中的工作站。装置控制器102包括存储多个诊断测试结果的存储装置或存储器，从而将有关数据提供进行分析。诊断操作，例如装置诊断通常采用软件程序代码的形式，通常是在现场装置16的装置控制器102中进行编码、存储和执行的，以及结合在外部装置，如处理器或主工作站12中执行的程序代码。
通过装置控制器102的操作，将施加到I/P转换器104的输入电流控制在足以测试阀门109处于完全打开和完全关闭位置之间的范围中，可以进行阀门109的装置诊断评价。在装置诊断评价期间，通过装置控制器102监测输入敏感器120、I/P敏感器124和中继敏感器128的输出，它们分别敏感于气动线路118、112和126中的气动压力，将其用作分析。还对位置敏感器116的输出进行监测，以检测阀门杆114的位置和移动，它对应于阀门109中阀门塞(未示出)的位置或移动。
因此，通过将受控的可变的电流施加到I/P转换器104上，敏感气动线路118、122和126中的压力以及利用位置敏感器116敏感阀门杆114的位置，在装置控制器102的控制下进行阀门109的测试操作循环。以这种方式，装置控制器102同时接收随时间变化的代表示出位置上压力和阀门109位置的电信号，可以采用这些信号以任何已知的或所需的方式确定任何个数的装置诊断参数。
传统的现场装置通常并不包括位置敏感器，如敏感器116，并不采用位置敏感器的结果来进行诊断评价。此外，传统的现场装置并不包括诸如输入敏感器120、I/P敏感器124和中继敏感器128的测量气压控制中压力并将压力信号转变为便于进行诊断评价的电信号的敏感器。然而，这些敏感器，尤其是I/P敏感器124，通过方便对现场装置16的失误、差错或故障情况的定位而提高了诊断能力。具体说，I/P敏感器124有助于区分阀门109故障、现场装置16中其它故障以及现场装置16的外部故障，包括给现场装置16供气的气动线路的故障。I/P敏感器124对于进行诊断测试，确定I/P转换器104、气动中继106、现场装置16和整个过程控制系统10的操作状态也是有用的。在一个实施例中，利用驱动I/P转换器104完全打开，测量提供给阀门109的全部空气压力的诊断测量步骤，对I/P转换器104和气动中继106I/P进行测试。在I/D转换器104打开时，I/P敏感器124一直测量气动控制线路122中压力。如果压力开始下降，那么，测试表明空气供应会不足。通过将振荡信号提供给I/P转换器104，使得阀门109开始相对于空气供给的抽吸动作，对阀门109进行抽运，然后利用I/P敏感器124测量最大流量值和最大压力值，进行空气供给充足的进一步诊断测试。
如图7所示，装置控制器102包括微处理器140、接口142、总线隔离电路144、多个存储装置，如随机存取存储器(RAM)146、只读存储器(ROM)148和非易失性随机存取存储器(NVRAM)150、和多个信号处理装置，如A/D转换器152、D/A转换器154和多路传输器156。接口142(这是一个总线连接器)是一个执行串行至并行协议协定和并行至串行协议协定的电路，用于根据任何所需协议定义，如Fieldbus协议将帧同步信息加在数据包上。总线隔离电路144是一个用于将总线34上的双线媒体通信信号转变为通信信号的数字表示的电路，将从总线34上接收的功率提供给装置控制器102中其它电路以及I/P转换器104。总线隔离电路144也可以在总线上进行波形变化和发信号。
A/D转换器152被接至诸如图6中位置敏感器116和压力敏感器120、124和128的位置和压力转换器以及其它任何所需模拟输入装置。尽管A/D转换器152可以具有有限个数的输入通道，但是可以采用多路传输器156来对多个信号进行采样。如果需要的话，多路传输器156可以包括连接在信号线路117与130(图6)之间的一排放大器，对其送出的位置、压力和其它反馈信号进行放大。D/A转换器154对由微处理器140产生的信号进行数字至模拟转换，将其送至模拟部件，如I/P转换器104。
在典型的诊断测试应用中，控制器102产生0-30mA输出测试信号给I/P转换器104，以例如程序化斜坡、阶跃变化和开/关形式(或者以任何其它所需方式)使阀门109在预定范围的气动压力下操作，接收由压力输入敏感器120、I/P敏感器124、中继敏感器128和位置敏感器116产生的诊断测试输出信号。尽管利用诸如键盘的输入装置也可以把过程(和与其有关的必要信息)直接输入到控制器102，但是，利用诸如工作站的输入/输出装置可以指定具体的测试过程并且通常从外部加入现场装置16。然而，如果需要的话，可以把测试过程存储在控制器102中。同样，由控制器102收集的或者在现场装置中产生的诊断测试结果信息通常被传送到外部输入/输出装置，当然利用例如CRT显示器或打印机也可以直接从现场控制器102显示这些信息。
现场装置16利用嵌入控制器102中的程序语言解译器进行诊断测试操作，如装置和过程诊断，语言解译器对诸如请求诊断过程步骤的性能的命令进行解译。语言解译器最好以存储在PROM148中的程序代码实施和在微处理器140中执行。在有些实施例中，将测试(诊断)定义或过程编码到PROM 148中，因此预先载入到现场装置16中。在另一些实施例中，在测试(诊断)定义或过程在运行时或运行之前对其卸载，将其存储在例如RAM146中，供微处理器140执行。在一个典型实施例中，有些诊断功能被硬编码到PROM148中而其它功能被卸载，不用修改装置16中的永久或硬编码软件，能够设计和实施新的诊断测试。尽管在Fieldbus型装置(如Fieldbus阀)中在过程诊断或装置诊断性能的上下文中描述了语言解译器，但是，在任何类型的嵌入控制器中都控制实施语言解译器，由此能够使公共诊断测试操作用在任何类型的嵌入控制器中。
在操作期间，现场装置16经总线34接收来自操作者控制台或过程控制网络10中主工作站12的指令。在装置控制器102中执行的语言解译器对指令进行解译并执行由这些指令所限定的操作。在例举的实施例中，在以下的表1所示出的用户接口命令表中给出了语言定义。
表1
    命令     参数
    移动 绝对     位置
    移动 相对     偏移
    暂停     时间
    设定增量     增量
    增量增大
    增量减少
    环路开始     迭代次数
    环路结束
    停止
    数据率     伺服率的整数倍
    //命令行
    标记：
    调用子程序     子程序名
    返回
    测试变量     变量值地址
在这一诊断语言规范中，用户能够使用命令名来指定执行的命令。根据C/C++协定，命令行是以两个斜线(//)开始的任何行。标记是后面跟着冒号的任何字。
在操作者控制台中，如主机12中可以限定诊断测试过程，按照为实施诊断测试过程而设计的语言定义产生一系列指令。然后，操作者控制台利用例如Fieldbus协议中异步通信经总线34将以解译语言编码的指令序列发送到数字现场装置16。在装置控制器102中执行的语言解译器把收到的指令存储起来并依次地对指令进行解译，按照指令的指挥对阀门109进行控制，由此进行诊断测试。诊断测试过程可以控制现场装置16，例如使阀门109反复步进、使阀门109上下移动、使阀门109在所选方向上移动所选量值等等。诊断测试过程还控制从现场装置16(以及其它装置)中各敏感器的数据收集和控制经总线34把数据发送到控制器台和主机工作站12。当然，如果需要的话，由提供给控制器102的指令所实施的诊断测试过程还可以对收到的数据进行处理，以确定诊断结果并将这些结果传送到主机12或其它显示装置。
因此，装置控制器102中的诊断语言解译器根据程序化的指令控制现场装置16的操作，能够从数字现场装置16外部对诊断测试过程进行限定，从而能够不修改现场装置16而自由地限定和改动诊断测试。同样，可以产生新的诊断测试过程并在现场装置已经安装在过程控制网络10中之后将其传送到现场装置16。然而，如果需要的话，装置16也可以或以另一种方式实施在制造时或者在其它时间存储在装置中的装置或/或过程诊断测试指令。
控制台(如主机12)通常包括诊断开发工具，如语言编辑器和模拟器，以诊断语言开发由现场装置16执行的控制程序。控制台通常还包括分析工具，对经总线34从现场装置16接收到的数据进行分析。
为了完整起见，下面以解译语言示出了控制阀门109的诊断程序代码：
         程序代码
(1)SAMA Static Test Definition
∥CYCLE0 TO 100％3 TIMES
DataRate 1
CYCLE:Loop 3
MoveAbsolute 0.0
Pause 10000
Move Absolute 100.0
Pause 10000
LoopEnd
∥MOVE TO 50％STEP UP 4 TIMES
Move Absolute 50.0
Pause 10000
SetIncrement10.0
UP:LOOP 4
Increment Up
Pause 10000
LoopEnd
∥STEP DOWN 8 TIMES
DOWN:Loop 8
IncrementDown
Pause 10000
LoopEnd
∥STEp UP 4 TIMES
UP2:Loop 4
IncrementUp
Pause 10000
LoopEnd
Stop
(2)Steo Chanoe Test Definition
DataRate 1
MoveAbsolute 50.0
Pause 10000
MoveAbsolute 60.0
Pause 10000
Stop
(3)Stepped Ramp Test Definition
DataRate 1
MoveAbsolute 50.0
				
				<dp n="d25"/>
SetIncrement 0.5
∥STEP UP BY 0.5 FOR 10 TIMES
UP1:Loop 10
IncrementUP
Pause 1000LoopEnd
∥STEP DOWN BY 0.5 FOR 10 TIMES
DOWN1:Loop 10
IncrementDown
Pause 1000
LoopEnd
SetIncrement 1.0
∥STEP UP BY 0.5 FOR 10 TIMES
UP2:Loop 10
IncrementUp
Pause 1000
LoopEnd
∥STEP DOWN BY 0.5 FOR 10 TIMES
DOWN2:Loop 10
IncrementDown
Pause 1000
LoopEnd
SetIncrement 2.0
∥STEP UP BY 0.5 FOR 10 TIMES
UP3:Loop 10
IncrementUp
Pause 1000
LoopEnd
∥STEP DOWN BY 0.5 FOR 10 TIMES
DOWN3:Loop 10
IncrementDown
Pause 1000
LoopEnd
Stop
(4)Step Study Test Definition
DataRate 1
∥STEPUP,DOWN,DOWN,UP,THEN INCREMENT STEP SIZE AND
∥REPEAT UNTIL CHANGES DETECTED。
SetIncrement 0.5
IncrementUp
Pause 100
IncrementDown    
Pause 100
				
				<dp n="d26"/>
IncrementDown
Pause 100
Increment Up
Pause 100
SetIncrement 1.0
IncrementUp
Pause 100
IncrementDown
Pause 100
IncrementDown
Pause 100
IncrementUp
Pause 100
SetIncrement 2.0
IncrementUp
Pause 100
IncrementDown
Pause 100
IncrementDown
Pause 100
IncrementUp
Pause 100
SetIncrement 5.0
IncrementUp
Pause 100
IncrementDown
Pause 100
IncrementDown
Pause 100
IncrementUp
Pause 100
Stop
上述的第一步测试(1)循环三次，从半开位置起进行四次步骤，下降八次和升高四次。第二步测试(2)从阀门绝对位置50％阶跃变化到60％。第三步测试(3)从阀门绝对位置50％开始进行阶跃斜坡波形的三次循环。第四步测试(4)随幅度增大重复一系列步骤直至检测到阀门中变化为止。
在这些程序中，现场装置控制器102执行停止记录的条件的暂停到停止记录和在存储位置中设定一个表示在哪里停止测试的位。现场装置控制器102还执行Branch/GOTOLOOP语句、Loop永久语句和在设置超出服务的标记时强制停止。暂停与伺服运行时间相同步，测试不会脱离与阀门的同步。
示出的程序代码仅表示可以由现场装置16执行的诊断测试的类型的一些例子，可以由提供给现场装置16的程序指令进行的其它诊断测试有许多，包括例如静态循环测试，其中阀门109向上移动10％、向下移动10％、向上移动10％、向下移动10％，以次往复循环多次。同样，可以作出任何装置诊断测量，例如包括按照敏感器116、120、124和128的发展简单测量装置内的阀门行程或压力，和/或从这些或其它测量结果中导出的任何所需参数，例如包括(1)动态误差带，这是行程(例如位置敏感器116的输出)与输入(例如传送给控制器102的控制信号)之间的关系曲线；(2)驱动信号(这是控制器102的输出，如传送给I/P转换器104)与压力测量结果的关系曲线；(3)驱动信号与输入信号的关系曲线；(4)输出信号，这是行程与驱动信号的关系曲线；(5)阀门信标，这是压力与行程的关系曲线，等等。当然，在这些测试中所指定的压力信号可以是任何所需压力信号，例如由敏感器120、124和/或128中任何一个测得的这些信号。
尽管诊断语言和诊断语言解译器在利用Fieldbus通信协议以双线、回路供电、双向数字通信定位器的形式对数字现场装置16的通信的过程控制网络10中执行是有利的，但是，语言解译器可以在其它实施例中执行。例如，诊断语言解译器可以在任何利用任何所需通信技术，如数字、模拟、光学等技术进行通信的嵌入控制器中执行。此外，尽管例举的诊断语言解译器根据Fieldbus标准协议进行通信，但是诊断语言解译器也可用在其它通信协议，包括例如HART、Profibus等协议进行通信的嵌入控制器和不采用双线总线的系统，如采用四线总线的系统中执行。同样，诊断语言解译器也可用在其它类型的阀门，包括例如电子阀门和液压阀门以及除了阀门装置以外的其它类型装置中执行。
另外，尽管诊断语言和诊断语言解译器被描述为限定一特定指令集，但是，根据将语言解译器限定其中的嵌入控制器的技术规范，控制执行其它指令集。
当然，通过在诸如主机工作站12的操作者控制台上发布请求一个或多个特定诊断测试过程的命令可以同时进行装置和过程诊断测试。在例举的实施例中，诊断测试过程是以两种软件程序代码执行的。第一种代码在现场装置16以外的处理器中，例如在主机工作站12中执行，创建或启动诊断测试和接收收集的数据并对其进行分析，而第二代码在装置控制器102中执行，以程序指令的形式执行存储在其中或由主机12提供的诊断测试。相反，传统控制系统网络中的诊断只能由在控制台处理器中执行的软件来进行。在现场装置层而不是在控制台层执行诊断测试可获得许多好处。例如，通过在装置层执行这些测试，诊断测试可以并行地进行并可以分布在许多现场装置当中。同样，在具有分布控制功能(如Fieldbus协议)的过程控制网络中可以进行更精确的测试，这里，为了进行诊断测试，主机必须以异步方式与现场装置进行通信，由于这一事实，主机可能不能够决定性地控制现场装置的操作。
执行由Fieldbus协议限定的双向数字通信，通过既增大数据吞吐量又实现多个现场装置的并行性能，对提高诊断速度是很有利的。利用Fieldbus协议，在预定的时间上传送预定好的消息，当消息或数据已准备好和现场装置总线34不忙时传送非预定的消息，包括诊断消息和数据、校正信息和诸如状态指示的其它信息。诊断请求消息被目标现场装置接收，诊断测试由相对其它现场装置操作异步的现场装置来进行。当诊断测试操作完成，在现场装置总线34可以提供时，现场装置返回一个应答，如结果数据。于是，如上所述，多个现场装置可以并行地进行诊断测试。
现在参考图8，流程图200示出在现场装置16进行诊断测试的技术。在步骤202中，现场装置16接收请求，执行一系列指令，执行一个或多个诊断测试。当然，主机工作站12可以给任何一个或同时给多个现场装置发布这样的请求，允许每个现场装置并行地收集诊断数据。如果多个现场装置同时在进行测试，那么，工作站12可以象进行诊断测试一样快速地在扩展的时间间隔上收集数据，由各个现场装置在总线34上作出结果。利用单独一组线路与各个现场装置进行通信的传统装置一次只能存取一个现场装置和一次只能进行一个现场装置的一次测试。
在步骤204，现场装置16执行一系列指令，按照请求的指挥进行一次或多次诊断测试。当然，如上所述，可以将指令存储在现场装置16的存储器中或者可以由主机12经例如异步通信提供给现场装置。在进行测试时，可以并行地测量诸如阀门行程、压力等的一个或多个参数。因此，传统的现场装置通常接收单个诊断测试测量的命令，顺次地进行测量，由于通信带宽有限和在这些现场装置中缺少存储能力，根据单个测量值的请求，而现场装置16可以利用灵活的测试协议接收多个测试的请求，可以进行多个测试，然后对测试期间收集的结果作出响应。
在步骤206，现场装置16将每个诊断测试所测得的多个测试结果存储在存储器中，在步骤208，将数据发送到外部的请求装置。按照Fieldbus标准的双线、双向数字通信大大提高了数字现场装置16的测试结果吞吐量。事实上，利用Fieldbus协议的数字通信使数据传输时间比HART系统改善了约30倍，所以，当采用Fieldbus协议在多个现场装置并行地进行诊断测试时，大大缩短了过程控制网络，包括许多现场装置的诊断测试时间量。
传统的现场装置通常有单独一对引线将每个现场装置连接到网络上，使得每个现场装置独占接入引线。在示出的实施例中，利用Fieldbus标准协议在总线34上将诊断测试的结果发送到操作控制台或主机工作站12，这减少了与主机12通信所需的引线的长度。
正如将会明白的，在诊断测试过程中，微处理器140控制D/A转换器154，将变化的控制信号提供给I/P转换器104。对于每个特定控制信号值和采样时间，微处理器140指挥A/D转换器152测量敏感器116、120、124和128产生的与压力和/或位置有关的电信号(以及由其它敏感器产生的其它任何信号)。当微处理器140通过操作测量循环指挥现场装置控制器102时，压力和阀门行程信息被装置控制器102存取并对其进行处理和存储。收集的数据通常暂时存储在RAM146中并被传送给外部装置，如主机工作站12，以供作下一步处理、分析和显示。当然，如果需要的话，微处理器140也可以进行分析。
例如，可以对中继敏感器128测得的压力信息和由位置敏感器116测得的位置信息进行组合分析，以确定阀门隔膜压力作为阀门位置函数的变化。同样，可以对输入敏感器120、I/P敏感器124和中继敏感器128测得的压力各自进行分析，与位置敏感器116测得的位置相组合，产生偏差循环，表明对阀门109操作的完整分析，包括线性度、滞后和范围的特性。
参考图9，流程图300表示现场装置16中进行诊断测试而执行的诊断测试协议。操作者在诸如工作站12的操作者控制台上产生一系列诊断指令，并将这些诊断指令发送到现场装置16，该装置将这些指令存储在存储器中。另一方面，或者另外，可以在制造现场装置16期间将诊断指令存储在装置的存储器中。
在步骤302，现场装置16经现场装置总线34接收诊断命令。如果需要的话，诊断命令可以取指令形式，采用为在现场装置控制器102中执行所编码的可解译的诊断语言，或者可以是启动已经存储在装置16中指令的指令。装置控制器102执行各种指令，引起数字现场装置16中的控制部件，如I/P转换器104和传动器108对阀门109进行控制和引起敏感器，如输入敏感器120、I/P敏感器124、中继敏感器128和位置敏感器116进行测量。控制指令还可以包括对测量结果进行处理和对提供给用户的数据进行格式化的指令。另外的指令可以引起现场装置控制器102将经过处理或格式化的数据经现场装置总线34传送给请求者。
在步骤304，数字现场装置16根据请求进行测试过程，其中，例如使阀门109经历从完全关闭状态到完全打开、然后返回到完全关闭状态。同样，数字现场装置16可以根据请求进行多步测试，包括例如单阶移动和分析和十阶移动和响应测量。也可以采用阶跃斜坡测试，这涉及到从阀门略微打开至较大打开的一系列阶跃，例如从10％至90％的斜坡，以例如10％增量为阶梯。阶跃研究涉及到以预定阶梯，如1％、2％、5％和10％打开阀门，在第一方向上以预定阶梯尺寸移动阀门，稳定，然后，在第二方向上以预定阶梯尺寸移动阀门。
在步骤306，由传送给数字现场装置16的命令设定诊断测试的物理配置。物理配置变量包括施加到传动器108的驱动信号、施加到I/P转换器104的压力设定以及传动器压力和阀门行程读数。在有些诊断测试中，物理配置变量可以设定为独立测试变量，而在其它测试中可以作为从属参数进行监测。
在步骤308中，现场装置16测量特定物理测试配置的预定参数。对于许多诊断测试，测量单个测试配置的多个参数。利用单个测试配置测量的典型参数包括阀门位置、过程变量、传动器空气压力、供给压力、驱动信号、传感器设定点和I/P空气压力，允许确定例如阀门信标、输出信号、动态误差带、驱动与压力、以及行程与输入信号幅度。
在步骤310中，通过装置控制器102的操作，现场装置16把单个测试配置的多个参数存储在例如RAM46中。在步骤312，将数据传送给主机12或其它装置。如果测试将利用不同的诊断测试配置进行，那么，通过在调节步骤314中装置控制器102的操作，现场装置16回路返回到步骤306，修改测试配置。
部分通过改善诊断协议结构，部分改善通信，部分通过在现场装置16中附加敏感器的执行，在所示现场装置16中的诊断测试与传统的现场装置相比取得了极大的改善。诊断协议结构的改进使得现场装置16能够测量单个测试配置的多个参数。将诊断控制操作分布到现场装置中使得诊断测试能够在现场装置中根据请求受到完全控制，可以对多个现场装置作出多个请求，各个现场装置独立地且相互并行地控制着诊断测试。诊断协议结构上的改进还有利于通过程序变化使测试过程能够在现场装置以外进行改动。于是，可以增加新的诊断能力，无需改动现场装置便可以作出诊断操作的大规模变化。由于切断过程线路会造成巨大代价，现场装置的改动是极为不利的。通信上的改善使得现场装置16能够测量单个测试配置的多个参数。传统的现场装置在专属于特定现场装置的通信线路上接收请求，根据请求的技术规范设定测试配置，以及返回根据该请求的单个测试测量结果。通过步骤(包括设定测试配置的冗余步骤)的重复，可作出在相同测试配置下的下一测量结果。所示现场装置16的改进后的通信有利于并行地进行多个装置的诊断测试、提高诊断测试的吞吐量。此外，改进后的数字通信提供了(传统现场装置的)模拟通信不能提供的多种类型。
虽然参照各个实施例已经对本发明作了描述，但是，应当明白，这些实施例是示范性的，本发明的范围不限于此。对所述的实施例可以作出许多变化、修改、增加和改善。例如，现场装置16不仅是所示的合适控制阀门和传动器组合，其它的合适阀门类型包括滑杆、旋转插塞、旋转球、蝶形、偏心盘等阀门以及其它的已知类型。其它的合适传动器包括弹簧和隔膜、弹簧和活塞、双动活塞、液压、电动液压、电动、或是利用旋转或是利用滑动杆阀的其它已知类型。因此，现场装置16仅仅示出各种定位器或控制传动器和阀门调整功率的其它装置。此外，采用本发明诊断法或位于其中的现场装置可以是阀门以外的装置，包括例如泵控制器、可变速的驱动器等。再有，现场装置不限于服从Fieldbus标准的操作，而是进一步应用其它数字通信标准，包括HART、WORLDFIP、LONWORKS、Profibus等。
当然，可以用功能块或其它软件形式把装置或过程诊断测试存储在控制器102中，可以这么做，利用诸如个人计算机的任何主机装置由公众存取这些诊断测试，对用户方不需要具有很高的知识便可以进行这些测试。在一个实施例中，把一个或多个易于存取的诊断程序存储在装置(例如装置16)中，通过从主机发布单个命令，指定进行哪个测试，可以运行其程序。把测试所需的所有数据存储在装置，在测试完成后，把从测试中收集的所有输出数据送到主机。
一般说，能够命令这种“公共”装置和过程诊断写入转换器块，影响例如阀门部件的移动，以及利用Fieldbus协议中的转向块来读出和存储由敏感器产生的数据。由于主机所需的所有信息都位于现场装置的装置说明中，执行这些公共诊断不需要专门知识。采用这些公共诊断，现场装置的操作可以与由其它制造商制造的其中采用相同诊断法的其它任何现场装置的操作相同。
图10A-10C示出在这种公共诊断中采用的波形例子。如图10A所示，公共诊断可以引起阀门109在打开方向上以阶梯形斜坡方式，例如对于特定个数的台阶(如五阶)以1％的幅度一步步地移动，然后在关闭方向上以阶梯形斜坡方式以1％的幅度一步步地移动，直至阀门已经达到原始值或位置。至新的设定点的阶跃最好是瞬时的，即实际上没有速率极限，在每个新设定点上的延迟时间是固定的并由阀门/传动器装置的尺寸和响应特性确定的。另一方面，如图10B所示，公共诊断可以在打开方向上通过5％的斜坡打开阀门，然后立即在关闭方向上通过5％的斜坡关闭该阀门。斜坡的斜率最好是固定的，将其设定为由阀门/传动器的尺寸所确定的斜率上。斜坡斜率约为装置最大速率的一半是最佳的。此外，如图10C所示，公共诊断可以在打开(或关闭)方向上从当前阀门位置以例如5％的单个阶梯移动阀门，瞬时阶跃时间设定为实际上没有速率极限。这一测试得出的结论是在新的阀门基准位置中阀门高于(或低于)原始点5％。
为了利用Fieldbus协议实现如10A-10C所示的公共诊断，主机12将执行命令送至存储公共诊断的装置，它设定装置(例如装置16)中的转向清单，然后为转向设定装置16中的合适VCR。接着，为转向和诊断测试进程设定装置16的连接对象。这时，主机可以向用户显示消息，表示诊断在进行之中，主机可以读出诊断的状态或进程，以确定是否出现差错情况。在装置16完成诊断后，主机读出并存储这些转向数据和切断转向。然后主机对检索数据进行分析。如果从装置16接收例如200％或更高的状态，在诊断中已经出现差错，主机可以向用户指出这一差错。在对接收数据进行分析后，主机可以向用户显示由存储的转向发展的诊断数据或由其确定的任何结果。例如，主机12可以用图形表示阀门相对上述公共诊断波形中一种或全部以及输入波形的实际移动，表示装置16对波形的响应。
在进行公共或其它诊断时，装置16首先确定是否已经收到诊断命令和验证装置的传感器块是否正在令人满意地工作。如果是，那么装置16设定转向数据的更新指针，表示哪些数据应当存储在转向块中和验证可以提供足够的设定点范围进行诊断。例如，为了进行在打开方向上需要阀门以5％幅度移动的测试，阀门必须处于其最大移动的95％或以下。如果不能提供这一范围，那么装置16可以把差错消息返回给主机12。
如果没有出现差错，装置16利用由存储在装置16中的查看表(根据阀门/传动器尺寸)确定的测试时间和斜率进行所选的测试，获取所需的测量结果，如阀门位置。在测试期间，在整个0-100％的百分比内，阀门对测试状态进行更新，如果检测到差错，把大于200％的差错代码写成由主机12读出的诊断状态变量。在测试结束时，假设没有出现差错，诊断测试把100％状态写在诊断测试状态变量中，而后根据标准Fieldbus协议利用按照转向而设立的正常多层操作把收集到的转向数据报告给主机。诊断测试的回路速度最好设定得比输入波形中的变化相对高一些，从而能收集足够的转向数据，恰当地模拟装置16对诊断波形的响应。因此，以Fieldbus协议，在转向目标中采用的数据频率与功能块的执行速率相联系，回路执行速率应当大大高于输入波形中的变化速率，使得转向目标在每一重大变化之后能够收集足够的数据观测装置16相对输入波形的响应。
当然，在例如图10中所示的公共诊断最适合于进行装置诊断，其中，利用它们有利于在测量特定装置中传感器输出以确定该装置特性的时间期间引起该装置通过一个或多个诊断步骤或操作。在采用Fieldbus协议进行装置诊断时，这些测试不需要采用任何附加功能块，而是通过各装置控制器(如图6中的控制器102)就能够进行测试，离开与装置中功能块操作有关的正常操作，控制转换器块。当然，如果需要，可以采用功能块以某种方式分析所收集的数据和将分析数据提供给主机。
现在参考图11A，图中详细示出过程控制回路400，它能够在Fieldbus过程控制网络的装置中进行本地装置或过程诊断。回路400包括控制回路，即图4中的LOOP1，装置20中的AI功能块66经总线34与装置16中的PID功能块64和A/O功能块63二者通信连接。回路400还包括数据采集功能块401，将其配置为从AO功能块63、AI功能块66以及(如果需要的话)诸如AI功能块402和404(它们可以位于过程控制网络10中连接的其它现场装置中)的其它功能块接收数据。当然，利用标准同步通信，如Fieldbus协议中限定的出版者/订购者通信，将功能块66、402和404配置为与数据采集功能块401相通信。
在操作期间，现场装置16中的控制器102中断由功能块66、64和63形成的回路的正常操作并将诊断波形传送给AO功能块63的输入。此刻，AO功能块63已经使其状态模式改变为例如本地控制模式，这反向级联到PID功能块64，引起PID功能块64摆脱其模式状态，变为例如手控，这又阻止PID功能块64根据由此接收的输入产生输出输出信号。如上所述，诊断波形控制存储在装置16的控制器102中或者可以在进行诊断测试前由主机12提供。当然，波形或其它指令会引起与装置16有关的阀门经历与装置或过程诊断测试有关的一系列移动。
在装置诊断期间，数据采集功能块401接收AO功能块63的数据以及装置16中其它转换器，如与位置敏感器和/或象图6中所示这些的压力敏感器的数据。在过程诊断期间，数据采集功能块401还或者另外接收与由AI功能块66、402、404以及过程控制网络10中其它任何功能块形成的过程变量有关的数据。数据采集功能块401可以收集这一数据以及传送给AO功能块63的诊断波形的时序和幅度的数据，可以将这一数据存储起来，以供将来传送给主机12，在这里可以进行处理和显示给用户。
在完成装置或过程诊断测试后，将功能块401收集的数据传送给主机12，控制器102释放对AO功能块63的控制，返回到PID功能块64，使包括功能块66、64和63的回路返回到正常操作。当然，这时功能块64和63的状态模式返回到正常操作。
应当注意：虽然数据采集功能块401不一定需要任何预定的同步执行时间，但是，在配置过程控制回路400时必须建立功能块401的通信互连，因此，即使在不进行诊断时这些通信互连也存在者。换句话说，当数据采用功能块401需要在总线34上公布数据时，在过程控制网络10初始化时必须将其配置为接收这些数据(即由其它装置公布的数据)，以避免为简单地进行诊断的需要用户重新配置网络10。然而，如上所述，由于数据采集功能块401通常仅收集已经在总线34上公布的过程变量数据或者收集在有数据采用功能块401的装置内部产生的数据，因此，数据采集功能块401的操作通常不增加总线34上的同步通信量，或者不需要为过程控制网络10另外安排执行时间。然而，如果需要，数据采集功能块401可以配置为接收通常不在总线上公布的数据，这需要将公布功能块配置为在过程控制网络10开始时公布数据。
现在参考图11B，图中详细示出过程控制回路406，它能够在Fieldbus过程控制网络中的装置中进行本地诊断。与图11A的回路400一样，回路406包括控制回路，即图4中的LOOP1，装置20中的AI功能块66经总线34与装置16中的PID功能块64和A/O功能块63二者通信连接。回路406还包括数据采集功能块408(位于装置16中)，它的操作基本上与数据采集功能块401相同，不同之处在于，将其构造为仅本地接收AO功能块63、PID功能块64或装置中其它任何转换器或敏感器，如压力敏感器、位置敏感器等的数据。数据采集功能块408在进行装置诊断中是尤其有用的，这里所需数据是在装置中本地产生的。由于功能块408不需要接收总线34上的数据，所以在过程控制网络的建立时开始不必配置它。
当然，数据采集功能块401和408仅仅是过程控制装置内收集诊断数据的两种方法，可以采用许多其它的收集不同类型过程控制网络和装置中这种数据的方法。例如，可以由位于装置中的与Fieldbus功能块的定义不一致的其它寄生软件来收集装置或过程的数据。
现在参考图12，流程图500示出利用例如图11的回路400由典型过程诊断所进行的步骤。在步骤502，将数据采集建立提供给数据采集功能块401，诊断测试所需的其它数据从主机(例如主机12)传送到执行诊断的装置16中。之后，由用户对诊断进行初始化，引起待测回路与过程控制网络中的其余部分隔离。在初始化时，装置16将AO功能块63的状态变为例如本地控制模式，这引起PID功能块64(或者上游的其它功能块)根据Fieldbus控制标准自动地改变模式。在此之后，块506执行存储在装置16存储器中的诊断指令，在块508，数据采集功能块401收集诊断和过程数据。块510确定测试是否完成，如果不是，将控制返回到块506，执行下一个诊断指令。当然，下一个指令可以是前一个指令的重复引起，例如，装置在一个方向上移动直至到达极限为止。
重复由块506、508和510执行的回路，直至完成测试或者已经出现一些差错或者在块510检测差错为止，这时块512结束诊断测试，块514恢复例如AO功能块63的正常操作状态，这引起PID功能块64再次改变其状态和按照正常控制操作来控制AO功能块63。
把数据采集功能块401收集的数据提供给主机12，对数据进行分析和/或显示。如果需要，可以在装置16中进行分析，分析的结果可以由主机提供给显示装置以供显示。
利用本发明的装置诊断方法，装置16同时收集装置和过程的数据，无需主机对执行或接收数据进行单独控制。由于诊断是在装置中进行的并由装置中的控制器而不是单独主机装置控制的，因此，能够精确控制测试时间，在诊断期间收集的数据能够便于与装置所进行的操作进行时间对准，在测试波形与测试结果之间提供了准确的对应关系。在实施过程诊断时，可以将回路400(或者具有为收集一个或多个过程控制回路的数据而构造的数据采集功能块的任何类似回路)的数据采集功能块401用于目标回路性能而不仅仅是装置性能以及用于表示阀门是否适合于回路或者是否存在其它与回路有关的会限制其总体性能的问题。过程和/或的测试可以周期性地进行，无需中断过程或者处于非工作状态。当然，当把数据采集功能块401构造成仅收集已经在回路上公布的数据时，对于能够收集和用于诊断的数据受到控制日程的限制。
尽管这里对诊断功能作了描述，如在下游AO功能块63(这是输出功能块)上或利用它进行诊断，以及如接收来自连接在简单控制回路构造中的上游PID功能块64(这是控制功能块)的输入并反馈给该功能块，但是，本发明的数据采集功能块401或其它诊断功能程序能够按照所需与其它输出功能或功能块以及其它控制功能或功能块一起使用，以及能够在具有图11中所示构造以外构造的控制回路中实现。
此外，尽管以Fieldbus“功能块”的形式已经实现了这里所述的有些诊断，但是，应当注意，利用与其它类型控制系统和/或通信协议有关的其它类型的块、程序、硬件、固件等能够执行本发明的诊断。事实上，虽然Fieldbus协议采用术语“功能块”来描述能够进行过程控制功能的特定类型的实体，但是应当注意，正如这里采用的，术语功能块不限于此，包括能够以任何方式在过程控制网络的分布位置上进行过程控制功能的任何类型的装置、程序、例行程序或其它实体。因此，在其它过程控制网络中或者利用其它过程控制通信协议或方案(可以是目前存在或者将来会产生的)，能够执行这里所描述和主张的诊断功能块，这些协议或方案不采用Fieldbus协议严格称为“功能块”。
再有，虽然这里已经对过程和装置诊断作了描述，如用于在定位器/阀门装置上或者利用它进行诊断，但是，应当注意这些诊断能够在其它类型的装置上或者利用它们进行，例如象减振器、风扇等的可运动部件。同样，尽管这里所述的诊断以存储在过程控制装置中的软件来进行是较佳的，但是，根据需要，它们可以另外或附加地在硬件、固件等中实现。如果是以软件实现的，本发明的诊断可以存储在任何计算机可读出的存储器中，如磁盘、激光光盘或其它存储媒体上，计算机的RAM、ROM、EPROM等上。同样，可以通过任何已知的或所需的传送方法，包括例如在诸如电话线、因特网的通信信道上将这种软件传送给用户或装置。
因此，虽然已经参照特定例子描述了本发明，这些例子仅仅是为了对本发明进行说明而非对本发明进行限制，对于本领域的专业人员而言显然能够对所公开的实施例作出变化、增加或删除，只要不偏离本发明的精神和范围。

Claims (57)

1．一种在用于包含多个由双线数字功率总线互相耦合的现场设备的过程控制网络的现场设备，其特征在于包含：
气动操纵的流体控制阀门，包含与气动压力线路相连的传动器，使流体控制阀门在从开启位置到关闭位置范围内运动；
与流体控制阀门耦合的位置传感器，用来检测流体控制阀门的位置；
与气动压力线路耦合的压力传感器，用来检测气动压力线路内的气动压力；
通过气动压力线路与传动器耦合的电至气动转换器上的电学线路，用来控制作为电学信号函数的气动压力线路中的气动压力；
与电至气动转换器、压力传感器和位置传感器耦合的电子控制器，所述电子控制器包括控制逻辑，它根据指示由压力传感器检测的压力和位置传感器检测的位置的反馈信号并根据现场设备控制信号确定电学信号；以及
与双线数字功率总线和电子控制器耦合的数字接口，所属数字接口包括：
向包括电子控制器和电至气的转换器在内的现场设备提供功率总线输送的功率的电路；以及
接收包括来自总线的现场设备控制信号的信号并向总线发送指示现场设备状态的信号的两路通信电路。
2．如权利要求1所述的现场设备，其特征在于进一步包括与在电至气动的转换器与阀门之间的气动压力线路耦合的气动延迟，并且压力传感器耦合于电至气动的转换器与气动延迟之间的气动压力线路。
3．如权利要求2所述的现场设备，其特征在于进一步包括耦合于气动延迟与阀门之间气动压力线路的压力传感器。
4．如权利要求1所述的现场设备，其特征在于进一步包括与在电至气动的转换器与阀门之间的气动压力线路耦合的气动延迟，并且压力传感器耦合于气动延迟与阀门之间的气动压力线路。
5．如权利要求1所述的现场设备，其特征在于气动压力线路包括与电至气动的转换器输入耦合的压力供应线路，并且压力传感器与气动压力供应线路耦合以测量供应至电至气动转换器输入处的压力。
6．如权利要求1所述的现场设备，其特征在于进一步包括：
第二控制逻辑，用于在执行和控制诊断阀门测试协议以响应从总线接收的诊断测试请求的电子控制器中的执行并用于产生阀门诊断数据，该数据对应于压力传感器测得的压力变化和位置传感器测得的阀门位置变化；以及与电子控制器耦合的存储器，用来存储阀门诊断数据。
7．如权利要求6所述的现场设备，其特征在于进一步包含：
第三控制逻辑，用于在向总线以数字形式发送阀门诊断数据的电子控制器的执行。
8．如权利要求7所述的现场设备，其特征在于现场设备执行独立于总线上其它现场设备操作的诊断测试协议。
9．如权利要求1所述的现场设备，其特征在于数字接口利用现场总线标准通信协议借助双线、数字、功率总线进行通信。
10．一种过程控制系统，其特征在于包含：
产生命令并接收数据的控制台；
与控制台耦合的双线、数字、功率总线；以及
多个通过双线、数字、功率总线互相耦合的多个现场设备，
总线提供命令装置包含送至现场设备的现场设备控制信号，其中一个现场设备包括：
气动操纵的流体控制阀门，包含与气动压力线路相连的传动器，使流体控制阀门在从开启位置到关闭位置范围内运动；
与流体控制阀门耦合的位置传感器，用来检测流体控制阀门的位置；
与气动压力线路耦合的压力传感器，用来检测气动压力线路内的气动压力；
由气动压力线路与阀门耦合的电至气动的转换器，用来控制作为电学信号函数的气动压力线路中的气动压力；
与电至气动的转换器、压力传感器和位置传感器耦合的电子控制器，所述电子控制器包括控制逻辑，它根据指示由压力传感器检测的压力和位置传感器检测的位置的反馈信号并根据现场设备控制信号确定电学信号；以及
与双线数字功率总线和电子控制器耦合的数字接口，所述数字接口包括：
向包括电子控制器和电至气动的转换器在内的现场设备提供功率总线输送的功率的电路；以及
接收包括来自总线的现场设备控制信号的信号并向总线发送指示现场设备状态的信号的两路通信电路。
11．如权利要求10所述的过程控制系统，其特征在于进一步包括在电至气动的转换器与阀门之间的气动压力线路上耦合的气动延迟，并且压力传感器耦合于电至气动的转换器与气动延迟之间的气动压力线路。
12．如权利要求10所述的过程控制系统，其特征在于进一步包括在电至气动的转换器与阀门之间的气动压力线路上耦合的气动延迟，并且压力传感器耦合于气动延迟与阀门之间的气动压力线路。
13．如权利要求10所述的过程控制系统，其特征在于气动压力线路包括与电至气动的转换器输入耦合的压力供应线路，并且压力传感器与气动压力供应线路耦合以测量供应至电至气动的转换器输入处的压力。
14．如权利要求10所述的过程控制系统，其特征在于进一步包括：
第二控制逻辑，用于在执行和控制诊断阀门测试协议以响应从总线接收的诊断测试请求的电子控制器中的执行并用于产生阀门诊断数据，该数据对应于压力传感器测得的压力变化和位置传感器测得的阀门位置变化；以及与电子控制器耦合的存储器，用来存储阀门诊断数据。
15．如权利要求14所述的过程控制系统，其特征在于进一步包含：
第三控制逻辑，用于在向总线以数字形式发送阀门诊断数据的电子控制器的执行。
16．如权利要求15所述的过程控制系统，其特征在于现场设备执行独立于总线上其它现场设备操作的诊断测试协议。
17．如权利要求10所述的过程控制系统，其特征在于：
控制台包含操作逻辑，用于产生和发送多个用于多个现场设备的诊断测试命令；以及
多个现场设备的每一个进一步包括操作逻辑，用于执行独立于总线上其它现场设备的诊断测试命令从而并行地执行操作。
18．一种能够用于包含多个由全数字通信总线耦合的现场设备的过程控制网络的现场设备，其特征在于包含：
连接全数字总线从而在总线上进行全数字通信的连接器；
存储包含一系列诊断测试指令的诊断测试程序的存储器；
利用现场设备完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的控制器；
采集诊断测试期间生成的诊断数据的数据采集单元；以及
在总线上以全数字格式传送采集的诊断数据的通信单元。
19．如权利要求18所述的现场设备，其特征在于进一步包含带有与运动阀门部件的阀门耦合的定位器，并且诊断测试指令规定了阀门部件的运动。
20．如权利要求19所述的现场设备，其特征在于进一步包含位置传感器，它检测诊断测试期间可运动阀门部件的位置并且向数据采集单元发送表示阀门部件位置的位置信号。
21．如权利要求20所述的现场设备，其特征在于定位器包含与电流-压力转换器耦合的气动压力线路并且进一步包含与气动压力线路耦合的压力传感器，用来检测气动压力线路中的压力并且向数据采集单元发送表示气动压力线路内压力的压力信号。
22．如权利要求21所述的现场设备，其特征在于进一步包括在电至气动的转换器与阀门之间的气动压力线路上耦合的气动延迟，并且压力传感器耦合于气动转换器与气动延迟之间的气动压力线路上。
23．如权利要求21所述的现场设备，其特征在于进一步包括在电至气动的转换器与阀门之间气动压力线路耦合的气动延迟，并且压力传感器耦合于气动延迟与阀门之间的气动压力线路。
24．如权利要求21所述的现场设备，其特征在于气动压力线路包括与电至气动转换器输入耦合的压力供应线路，并且压力传感器与气动压力供应线路耦合以测量供应至电至气动转换器输入处的压力。
25．如权利要求18所述的现场设备，其特征在于控制器包括适于解释程序语言的程序语言解释器并且诊断测试指令以程序语言形式存储。
26．如权利要求25所述的现场设备，其特征在于通信单元适于从多个设备中的第二个经总线接收程序语言形式的诊断测试指令并将接收的诊断测试指令存储在存储器内。
27．如权利要求18所述的现场设备，其特征在于现场设备包括可以沿开启和关闭方向运动的部件并且诊断测试指令使得部件在开启和关闭方向上以阶梯状斜坡运动。
28．如权利要求27所述的现场设备，其特征在于阶梯状斜坡包括大约等于部件运动范围的百分之一的步。
29．如权利要求18所述的现场设备，其特征在于现场设备包括可以沿开启和关闭方向运动的部件并且诊断测试指令使得部件在开启和关闭方向上以线性斜坡运动。
30．如权利要求29所述的现场设备，其特征在于诊断测试指令使部件以等于大约部件最大速率的二分之一的斜坡率运动。
31．如权利要求18所述的现场设备，其特征在于现场设备包括可以沿开启和关闭方向运动的部件并且诊断测试指令使得部件运动一步。
32．如权利要求31所述的现场设备，其特征在于步幅大约为部件运动范围的百分之五。
33．一种能够在用于包含多个由总线通信耦合的现场设备的过程控制网络的现场设备，其特征在于包含：
存储包含一系列诊断测试指令的诊断测试程序的存储器；
完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的设备控制器；
采集诊断测试期间生成的诊断数据的数据采集单元；以及
经总线从多个设备中的第二个接收诊断测试指令、将接收的诊断测试指令存储在存储器内并在总线上传送采集的诊断数据的通信单元。
34．如权利要求33所述的现场设备，其特征在于诊断测试指令被写入程序语言并且设备控制器包含解释完成诊断测试的诊断测试指令的程序语言解释器。
35．如权利要求34所述的现场设备，其特征在于进一步包含与包含可移动阀门部件的阀门耦合的定位器并且诊断测试指令规定了阀门部件的运动。
36．如权利要求35所述的现场设备，其特征在于进一步包含位置传感器，它检测诊断测试期间可运动阀门部件的位置并且向数据采集单元发送表示阀门部件位置的位置信号。
37．如权利要求36所述的现场设备，其特征在于定位器包含与电流-压力转换器耦合的气动压力线路并且进一步包含与气动压力线路耦合的压力传感器，用来检测气动压力线路中的压力并且向数据采集单元发送表示气动压力线路内压力的压力信号。
38．如权利要求33所述的现场设备，其特征在于通信单元被配置为利用现场总线协议在总线上通信。
39．如权利要求33所述的现场设备，其特征在于诊断测试指令实现过程诊断并且通信单元适于经总线接收与其它多个现场设备测量的过程变量有关的数据。
40．一种能够用于包含多个由总线通信耦合的现场设备的过程控制网络中的过程诊断测试的现场设备，其特征在于包含：
存储包含由现场设备实现的一系列诊断测试指令的诊断测试程序的存储器；
完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的设备控制器；
采集诊断测试期间生成的诊断数据并经总线从多个设备其中第二个接收进一步过程诊断数据的数据采集单元；以及
通信单元，它在过程诊断处理完成以后于总线上传送采集的诊断数据和进一步过程诊断数据。
41．如权利要求40所述的现场设备，其特征在于通信单元被配置为利用现场总线通信协议在总线上通信并且数据采集单元是一个配置为在总线上从多个设备中第二个接收进一步过程诊断数据的功能块。
42．如权利要求41所述的现场设备，其特征在于所述功能块在总线上利用同步通信接收进一步过程诊断数据。
43．如权利要求40所述的现场设备，其特征在于设备控制器包含模式处理单元，它控制完成过程诊断测试的过程控制环路内部件的模式。
44．一种过程控制网络，其特征在于包括：
产生命令和接收数据的主设备；
多个现场设备；以及
将主设备与多个现场设备互相连接起来的总线；
其中多个现场设备中的一个包括：存储包含由现场设备实现的一系列诊断测试指令的诊断测试程序的存储器；完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的设备控制器；采集诊断测试期间由设备生成的诊断数据的数据采集单元；以及通信单元，它在过程诊断处理完成以后于总线上向主设备传送采集的诊断数据。
45．如权利要求44所述的过程控制网络，其特征在于诊断测试程序是过程诊断测试程序并且数据采集单元经总线从多个现场设备中的第二个接收过程诊断数据。
46．如权利要求44所述的过程控制网络，其特征在于控制器包括适于解释程序语言的程序语言解释器并且诊断测试指令以程序语言形式存储。
47．如权利要求46所述的过程控制网络，其特征在于通信单元适于经总线从主设备接收程序语言形式的诊断测试指令并在实现诊断测试之前将接收的诊断测试指令存储在存储器内。
48．如权利要求44所述的过程控制网络，其特征在于多个现场设备中的每一个都能够完成过程控制功能并利用安排的周期通信和非周期通信在总线上通信。
49．如权利要求44所述的过程控制网络，其特征在于多个现场设备中的一个包括可以沿开启和关闭方向运动的部件并且诊断测试指令使得部件在开启和关闭方向上以阶梯状斜坡运动。
50．如权利要求49所述的过程控制网络，其特征在于阶梯状斜坡包括大约等于部件运动范围的百分之一的步。
51．如权利要求44所述的过程控制网络，其特征在于多个现场设备中的一个包括可以沿开启和关闭方向运动的部件并且诊断测试指令使得部件在开启和关闭方向上以线性斜坡运动。
52．如权利要求51所述的过程控制网络，其特征在于诊断测试指令使部件以等于大约部件最大速率的二分之一的斜坡率运动。
53．如权利要求44所述的过程控制网络，其特征在于多个现场设备中的一个包括可以沿开启和关闭方向运动的部件并且诊断测试指令使得部件运动一步。
54．如权利要求53所述的过程控制网络，其特征在于步幅大约为部件运动范围的百分之五。
55．一种能够用于包含多个由总线通信耦合并利用现场总线通信协议的现场设备的过程控制网络中完成诊断测试的现场设备，其特征在于包含：
存储包含由现场设备实现的一系列诊断测试指令的诊断测试程序的存储器；
完成存储在存储器内的诊断测试指令以实现诊断测试的设备控制器；
采集诊断测试期间生成的诊断数据的数据采集功能块；以及
通信单元，它在过程诊断处理完成以后于总线上传送采集的诊断数据。
56．如权利要求55所述的现场设备，其特征在于诊断测试是设备诊断测试并且数据采集功能块从现场设备采集数据。
57．如权利要求55所述的现场设备，其特征在于诊断测试是过程诊断测试并且数据采集功能块至少从进一步的现场设备经总线通信采集部分诊断数据。
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